Epigenetyczne modyfikacje RNA: zastosowanie symulacji dynamiki molekularnej do badania ich wpływu na strukturę i stabilność RNA. Joanna Sarzynska 1,2, Indrajit Deb 1,2,3, Ryszard Kierzek 1 1 Instytut Chemii Bioorganicznej PAN, Noskowskiego 12/14, 61-704 Poznań 2 Europejskie Centrum Bioinformatyki i Genomiki, Politechnika Poznańska, Piotrowo 2, 60-965 Poznań 3 Department of Biophysics, Molecular Biology & Bioinformatics, University of Calcutta, Kolkata 700009, West Bengal, India 1
Modyfikacje RNA 109 modyfikacji (database at The RNA Institute, State University of New York at Albany) trna (transportujacy RNA transfer RNA) 93 różnych modyfikacji dla trna Modyfikacje epigenetyczne modyfikacje mrna dynamiczne dodawane i usuwane przez specyficzne enzymy Pseudourydyna (PSU) 6-metylo-adenozyna (m 6 A) Frequency of ~ m 6 A per 2000nt
Nasze obiekty badawcze: Dupleksy Spinki RNA trna Metodologia: metody eksperymentalne (chemiczna synteza oligonukleotydów, spektroskopia NMR, badanie trwałości teromodynamicznej) metody obliczeniowe parametryzacja pola siłowego dla modyfikowanych reszt RNA symulacje dynamiki molekularnej, MM/PBSA, perturbacja energii swobodnej 3
Parametryzacja pola siłowego AMBER dla PSU The glycosidic (χ) torsion parameters were reparameterized at the individual nucleoside level. The parameters were also tested by 16 ns Replica Exchange MD simulations in 16 temperature windows ranging from 300K to 400K in water (equivalent to 256 ns normal MD simulation) I Deb, R Pal, J Sarzynska, A Lahiri, Journal of Computational Chemistry, 2016, 37, 1576 1588 4
RNA duplex under study with PSU modification Symulowane wyżarzanie (simulated annealing, SA) Przygotowanie struktury do zdeponowania w banku PDB Więzy strukturalne na podstawie widm NMR Distance restrains: 310 HB restrains: 54 Torsion angles: 177 Chirality: 90 Total: 631 100 runs/~2 days 20 runs 5 -UCAG CAGU-3 3 -AGUCAGUCA-5 5 -UCAC GAGU-3 3 -AGUGACUCA-5 A B 5
RNA duplex under study with/without PSU modification PSU(N3H) - A14 TAK PSU(N1H) - A14? 500ns MD siumulations were carried out in explicit water at 300K with AMBER FF14SB force field for regular RNA and our newly developed parameter sets for pseudouridine (PSU/Ψ) Jak wyjaśnić stabilizującą role PSU? stabilizująca rola wody strukturalnej oddziaływania warstwowe 6
RNA duplex 18 nt 12618 atoms AMBER pmemd.cuda (GPU) performance - 42ns/day 7
Analiza trajektorii MD Sequence A Sequence B Radial distribution function g(r) of Water Oxygen WAT O atom around H5 atom of U (Uridine) and N1H atom of (Pseudouridine) Thermodynamic parameters of duplex formation calculated by MM/PBSA method in presence/absence of one explicit water molecule using 8000 frames of last 400ns of the simulated trajectories ΔΔG SIM (kcal/mol) ΔΔG SIM + WAT (kcal/mol) ΔΔG Exp (kcal/mol) Sequence A +1.11 (±6.30) -0.50 (±6.72) -0.71 (±00.55) Sequence B -1.17 (±6.54) -3.08 (±6.94) -2.43 (±00.49) Kierzek E, Malgowska M, Lisowiec J, et al (2014) The contribution of pseudouridine to stabilities and structure of RNAs. 8 Nucleic Acids Res 42:3492 501
Przełacznik m 6 A (m 6 A switch) RNA hairpin derived from the m 6 A-switch in MALAT1 with m 6 A modifications. Zhou KI, Parisien M, Dai Q, et al (2016) N6-Methyladenosine Modification in a Long Noncoding RNA Hairpin Predisposes Its Conformation to Protein Binding. J Mol Biol 428:822 833. Modelowanie struktury przestrzennej za pomocą RNAComposer Symulacje MD Experymentalne badanie twałości termodynamicznej spinek RNA Kierzek E, Kierzek R (2003) The thermodynamic stability of RNA duplexes and hairpins containing N6-alkyladenosines and 2-methylthio-N6- alkyladenosines. Nucleic Acids Res 31:4472 4480 Kierzek E, Kierzek R (2003) The synthesis of oligoribonucleotides containing N6-alkyladenosines and 2-methylthio-N6-alkyladenosines via 9 post-synthetic modification of precursor oligomers. Nucleic Acids Res 31:4461 4471.
trna 76 nt 75496 atoms AMBER pmemd.cuda (GPU) performance - 10ns/day
Acknowledgements: International Centre for Genetic Engineering and Biotechnology (ICGEB), Trieste, Italy for providing SMART Fellowship to Indrajit Deb to work at Institute of Bioorganic Chemistry (IBCh), Poznan, Poland Poznan Supercomputing and Networking Center (PSNC), Poznan, Poland for computational support European Center for Bioinformatics and Genomics (ECBiG), Poznan, Poland for computer lab support Dziękujemy na utworzenie kolejki GPU 11